CN106950452A - 一种机车高压电网电能质量在线监测装置 - Google Patents
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Abstract
一种机车高压电网电能质量在线监测装置，由感应器和监测器组成；感应器包括感应器电源电路、高压感应电极、感应信号放大电路、感应器控制器电路、无线发射电路；监测器包括监测器电源电路、无线接收电路、监测器控制器电路、LCD显示电路、报警电路、MICRO SD卡电路；安装在机车车顶的感应器通过高压感应电极采集机车高压电网电能信号形成无线数据包，通过无线发射电路发送给机车内部的监测器；监测器通过无线接收电路接收无线数据包，进行监测、显示、处理和存储，装置通过无线数字信号通讯传输电能质量监测数据，避免感应模拟信号传输过程中的衰减和失真。
Description
技术领域
本发明涉及一种机车高压电网电能质量在线监测装置的电子技术领域，尤其适用于机车、城轨、地铁等轨道交通用高压电网监测。
背景技术
由于机车高压电网和负载的复杂性,例如变电站容量不足、输变电和各种配电设备的性能和质量问题、各种用电设备配置的不合理性、设备之间的相互影响,以及配电系统中各类非线性负载的增加、电力半导体变流装置的广泛应用等因素,以及自然界的雷击、地电及人为因素的影响,电网的交流电并不是稳定的正弦波,存在各种供电质量问题；导致机车高压电网电压波动范围最大达±30%，同时出现电压浪涌、高压尖峰脉冲、暂态过电压、电压下陷、频率偏移、持续低电压、波形失真等，因此需要对机车高压电网电能质量进行在线监测，提示机车司机，并且需要进行存储和记录，以供进行电能质量的治理。
目前机车高压电网监测装置通常是在高压工频变压器的二次侧进行采样和监测，但是电压浪涌、高压尖峰脉冲、暂态过电压等信号不能无损的通过高压工频变压器，会产生信号的丢失和失真；另一种方式是通过高压感应电极安装在机车顶部，直接感应机车高压信号，并且通过屏蔽线把信号输入机车内部进行监测，但是屏蔽线的导线过长，其等效电阻和电容效应同样会使感应信号衰减和失真；因此需要一种能够避免感应模拟信号衰减和丢失的监测装置。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种机车高压电网电能质量在线监测装置，高压感应电极感应机车高压电网电压信号，高压感应电极不通过屏蔽线输入机车内部，而是直接在机车顶部通过控制器进行数据采集和转换，把变换后的机车高压电网电压信号打包后，通过无线发射电路，采用无线方式发送给机车内部的无线接收电路和控制器，进行监测、处理和存储；装置通过无线数字信号通讯传输电能质量监测数据，避免感应模拟信号传输过程中的衰减和失真。
本发明的技术方案是：一种机车高压电网电能质量在线监测装置，由感应器和监测器组成；感应器包括感应器电源电路、高压感应电极、感应信号放大电路、感应器控制器电路、无线发射电路；监测器包括监测器电源电路、无线接收电路、监测器控制器电路、LCD显示电路、报警电路、MICRO SD卡电路；安装在机车车顶的感应器通过高压感应电极采集机车高压电网电能信号形成无线数据包，通过无线发射电路发送给机车内部的监测器；监测器通过无线接收电路接收无线数据包，进行监测、显示、处理和存储，装置通过无线数字信号通讯传输电能质量监测数据，避免感应模拟信号传输过程中的衰减和失真。
所述感应器电源电路由第一DC/DC模块组成；第一DC/DC模块的电源输入正极脚VIN+连接机车24V电源正极；电源输入负极脚VIN-连接机车24V电源负极，电源输出正极脚VOUT输出第一电源VD1，电源输出负极脚GND输出第一电源公共地GND1；感应器电源电路供给感应信号放大电路、感应器控制器电路、无线发射电路工作电源。
所述感应器控制器电路由第一控制器组成；第一控制器的电源正极脚VCC连接第一电源VD1，电源地脚GND连接第一电源公共地GND1。
所述感应信号放大电路由第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第一运算放大器组成；第一运算放大器的电源正极脚VCC连接第一电源VD1，电源地脚GND连接第一电源公共地GND1，负极输入脚IN-通过第三电阻、第一电容连接高压感应电极，同时负极输入脚IN-通过第四电阻连接第一运算放大器的输出脚OUT，正极输入脚IN+通过第一电阻连接第一电源VD1，同时正极输入脚IN+通过第二电阻连接第一电源公共地GND1，输出脚OUT连接第一控制器的模数转换脚AD1；第一运算放大器组成由单电源供电的反向比例放大电路，第一电容是隔离直流的作用。
所述无线发射电路由无线发射芯片、第一天线、第二电容、第三电容、第四电容、第一电感、第二电感组成；无线发射芯片的电源正极脚连接第一电源VD1，电源地脚GND连接第一电源公共地GND1；无线发射芯片的模式选择脚MODE连接第一控制器的输出脚OUT3，第一控制器使无线发射芯片工作在频移键控模式；无线发射芯片与第一控制器通过单总线通信；无线发射芯片的数据接收使能脚ENABLE连接第一控制器的输出脚OUT2，数据输入脚DIN连接第一控制器输出脚OUT1；无线发射芯片的无线功放输出脚PAOUT通过第二电容、第二电感连接第一天线；同时无线功放输出脚PAOUT通过第一电感连接第一电源VD1；第一天线通过第四电容连接第一电源公共地GND1；第二电容的2脚通过第三电容连接第一电源公共地GND1；第一电感、第二电感、第二电容、第三电容、第四电容组成第一天线的匹配网络。
所述监测器电源电路由第二DC/DC模块组成；第二DC/DC模块的电源输入正极脚VIN+连接机车24V电源正极；电源输入负极脚VIN-连接机车24V电源负极，电源输出正极脚VOUT输出第二电源VD2，电源输出负极脚GND输出第二电源公共地GND2；监测器电源电路供无线接收电路、监测器控制器电路、LCD显示电路、报警电路、MICRO SD卡电路工作电源。
所述监测器控制器电路由第二控制器组成；第二控制器的电源正极脚VCC连接第二电源VD2，电源地脚GND连接第二电源公共地GND2。
所述无线接收电路由无线接收芯片、第五电容、第六电容、第二天线、第三电感组成；无线接收芯片的电源正极脚连接第二电源VD2，电源地脚GND连接第二电源公共地GND2；第二天线通过第三电感和第六电容连接无线接收芯片的无线输入脚RFIN；同时第二天线通过第五电容连接第二电源公共地GND2；第五电容、第六电容、第三电感组成第二天线的匹配网络；无线接收芯片和第二控制器通过SPI通信，无线接收芯片的SPI时钟脚SCLK连接第二控制器的SPI时钟脚SCLK1；无线接收芯片的MOSI脚连接第二控制器的MOSI1脚；无线接收芯片的MISO脚连接第二控制器的MISO1脚；无线接收芯片的状态机复位脚RESETB连接第二控制器的输出脚OUT1。
所述LCD显示电路由液晶显示器、第一三极管、第五电阻组成，液晶显示器的电源输入脚VCC连接第二电源VD2，电源地脚GND连接第二电源公共地GND2；寄存器选择脚RS连接第二控制器的输出脚OUT2，读写信号脚R/W连接第二控制器的输出脚OUT3，使能脚EN连接第二控制器的输出脚OUT4，数据脚DB0－DB7连接第二控制器的输入输出脚IO0－IO7，背光正极脚LED+连接第二电源VD2，背光负极脚LED-连接第一三极管的发射极；第一三极管的基极通过第五电阻连接第二控制器的输出脚OUT5，第一三极管的集电极连接第二电源公共地GND2。
所述报警电路，由第六电阻、指示灯、蜂鸣器组成；第二电源VD2通过第六电阻、指示灯连接第二控制器的输出脚OUT6；第二电源VD2通过蜂鸣器连接第二控制器的输出脚OUT7。
所述MICRO SD卡电路，由MICRO SD卡、第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻组成；MICRO SD卡通过SPI与第二控制器连接；MICRO SD卡的片选脚CS连接第二控制器的输出脚OUT8，同时片选脚CS通过第七电阻连接第二电源VD2；MICRO SD卡的数据输入脚DI连接第二控制器MOSI脚MOSI2，同时通过第八电阻连接第二电源VD2；MICRO SD卡的时钟脚CLK连接第二控制器的SCLK脚SCLK2，同时通过第九电阻连接第二电源VD2；MICRO SD卡的数据输出脚DO连接第二控制器的MISO脚MISO2，同时通过第十电阻连接第二电源VD2；MICRO SD卡的电源输入脚VCC连接第二电源VD2，电源地脚GND连接第二电源公共地GND2。
本发明的有益效果是，一种机车高压电网电能质量在线监测装置，通过无线数字信号通讯传输电能质量监测数据；安装在机车车顶的感应器通过高压感应电极采集机车高压电网电能信号形成无线数据包，通过无线发射电路发送给机车内部的监测器；监测器通过无线接收电路接收无线数据包，进行监测、显示、处理和存储，避免感应模拟信号传输过程中的衰减和失真。
附图说明
图1是一种机车高压电网电能质量在线监测装置的系统结构方框图。
图2是一种机车高压电网电能质量在线监测装置的感应器电源电路、高压感应电极、感应信号放大电路、感应器控制器电路、无线发射电路原理图。
图3是一种机车高压电网电能质量在线监测装置的监测器电源电路、无线接收电路、监测器控制器电路、LCD显示电路、报警电路、MICRO SD卡电路原理图。
图4是一种机车高压电网电能质量在线监测装置的感应器的主程序流程图。
图5是一种机车高压电网电能质量在线监测装置的监测器的主程序流程图。
具体实施方式
结合附图和实例对本发明进一步说明如下。
如图1所示，一种机车高压电网电能质量在线监测装置，由感应器和监测器组成；感应器包括感应器电源电路（1）、高压感应电极（2）、感应信号放大电路（3）、感应器控制器电路（4）、无线发射电路（5）；监测器包括监测器电源电路（6）、无线接收电路（7）、监测器控制器电路（8）、LCD显示电路（9）、报警电路（10）、MICRO SD卡电路（11）；安装在机车车顶的感应器通过高压感应电极（2）采集机车高压电网电能信号形成无线数据包，通过无线发射电路（5）发送给机车内部的监测器；监测器通过无线接收电路（7）接收无线数据包，进行监测、显示、处理和存储，避免感应模拟信号传输过程中的衰减和失真。
如图2所示，所述感应器电源电路（1）由第一DC/DC模块U1组成；第一DC/DC模块U1的电源输入正极脚VIN+连接机车24V电源正极；电源输入负极脚VIN-连接机车24V电源负极，电源输出正极脚VOUT输出第一电源VD1，电源输出负极脚GND输出第一电源公共地GND1；感应器电源电路（1）供给感应信号放大电路（3）、感应器控制器电路（4）、无线发射电路（5）工作电源。
所述感应器控制器电路（4）由第一控制器U3组成；第一控制器U3的电源正极脚VCC连接第一电源VD1，电源地脚GND连接第一电源公共地GND1。
所述感应信号放大电路（3）由第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第一运算放大器U2组成；第一运算放大器U2的电源正极脚VCC连接第一电源VD1，电源地脚GND连接第一电源公共地GND1，负极输入脚IN-通过第三电阻R3、第一电容C1连接高压感应电极（2），同时负极输入脚IN-通过第四电阻R4连接第一运算放大器U2的输出脚OUT，正极输入脚IN+通过第一电阻R1连接第一电源VD1，同时正极输入脚IN+通过第二电阻R2连接第一电源公共地GND1，输出脚OUT连接第一控制器U3的模数转换脚AD1；第一运算放大器U2组成由单电源供电的反向比例放大电路，第一电容C1是隔离直流的作用。
所述无线发射电路（5）由无线发射芯片U4、第一天线ANT1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一电感L1、第二电感L2组成；无线发射芯片U4的电源正极脚连接第一电源VD1，电源地脚GND连接第一电源公共地GND1；无线发射芯片U4的模式选择脚MODE连接第一控制器U3的输出脚OUT3，第一控制器U3使无线发射芯片U4工作在频移键控模式；无线发射芯片U4与第一控制器U3通过单总线通信；无线发射芯片U4的数据接收使能脚ENABLE连接第一控制器U3的输出脚OUT2，数据输入脚DIN连接第一控制器输出脚OUT1；无线发射芯片U4的无线功放输出脚PAOUT通过第二电容C2、第二电感L2连接第一天线ANT1；同时无线功放输出脚PAOUT通过第一电感L1连接第一电源VD1；第一天线ANT1通过第四电容C4连接第一电源公共地GND1；第二电容C2的2脚通过第三电容C3连接第一电源公共地GND1；第一电感L1、第二电感L2、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4组成第一天线ANT1的匹配网络；无线发射芯片U4的型号是MAX1479。
如图3所示，所述监测器电源电路（6）由第二DC/DC模块U5组成；第二DC/DC模块U5的电源输入正极脚VIN+连接机车24V电源正极；电源输入负极脚VIN-连接机车24V电源负极，电源输出正极脚VOUT输出第二电源VD2，电源输出负极脚GND输出第二电源公共地GND2；监测器电源电路（6）供无线接收电路（7）、监测器控制器电路（8）、LCD显示电路（9）、报警电路（10）、MICRO SD卡电路（11）工作电源。
所述监测器控制器电路（8）由第二控制器U7组成；第二控制器U7的电源正极脚VCC连接第二电源VD2，电源地脚GND连接第二电源公共地GND2。
所述无线接收电路（7）由无线接收芯片U6、第五电容C5、第六电容C6、第二天线ANT2、第三电感L3组成；无线接收芯片U6的电源正极脚连接第二电源VD2，电源地脚GND连接第二电源公共地GND2；第二天线ANT2通过第三电感L3和第六电容C6连接无线接收芯片U6的无线输入脚RFIN；同时第二天线ANT2通过第五电容C5连接第二电源公共地GND2；第五电容C5、第六电容C6、第三电感L3组成第二天线ANT2的匹配网络；无线接收芯片U6和第二控制器U7通过SPI通信，无线接收芯片U6的SPI时钟脚SCLK连接第二控制器U7的SPI时钟脚SCLK1；无线接收芯片U6的MOSI脚连接第二控制器U7的MOSI1脚；无线接收芯片U6的MISO脚连接第二控制器U7的MISO1脚；无线接收芯片U6的状态机复位脚RESETB连接第二控制器U7的输出脚OUT1；无线接收芯片U6的型号是MAX33594。
所述LCD显示电路（9）由液晶显示器LCD1、第一三极管Q1、第五电阻R5组成，液晶显示器LCD1的电源输入脚VCC连接第二电源VD2，电源地脚GND连接第二电源公共地GND2；寄存器选择脚RS连接第二控制器U7的输出脚OUT2，读写信号脚R/W连接第二控制器U7的输出脚OUT3，使能脚EN连接第二控制器U7的输出脚OUT4，数据脚DB0－DB7连接第二控制器U7的输入输出脚IO0－IO7，背光正极脚LED+连接第二电源VD2，背光负极脚LED-连接第一三极管Q1的发射极；第一三极管Q1的基极通过第五电阻R5连接第二控制器U7的输出脚OUT5，第一三极管Q1的集电极连接第二电源公共地GND2。
所述报警电路（10），由第六电阻R6、指示灯LED1、蜂鸣器HA1组成；第二电源VD2通过第六电阻R6、指示灯LED1连接第二控制器U7的输出脚OUT6；第二电源VD2通过蜂鸣器HA1连接第二控制器U7的输出脚OUT7。
所述MICRO SD卡电路（11），由MICRO SD卡U8、第七电阻R7、第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10组成；MICRO SD卡U8通过SPI与第二控制器U7连接；MICRO SD卡U8的片选脚CS连接第二控制器U7的输出脚OUT8，同时片选脚CS通过第七电阻R7连接第二电源VD2；MICRO SD卡U8的数据输入脚DI连接第二控制器U7MOSI脚MOSI2，同时通过第八电阻R8连接第二电源VD2；MICRO SD卡U8的时钟脚CLK连接第二控制器U7的SCLK脚SCLK2，同时通过第九电阻R9连接第二电源VD2；MICRO SD卡U8的数据输出脚DO连接第二控制器U7的MISO脚MISO2，同时通过第十电阻R10连接第二电源VD2；MICRO SD卡U8的电源输入脚VCC连接第二电源VD2，电源地脚GND连接第二电源公共地GND2。
如图4所示，是感应器的主程序流程图，主流程工作步骤具体是：
步骤一，无线发射芯片初始化；
步骤二，采集机车高压电网电压信号；
步骤三，把多个电压数据打包通过无线发射芯片发送给监测器，转到步骤二。
如图5所示，是监测器的主程序流程图，主流程工作步骤具体是：
步骤一，无线接收芯片初始化；
步骤二，接收无线接收芯片收到的数据包；
步骤三，解析数据包，进行数据处理、显示、存储，转到步骤二。
应当指出，对于经过充分说明的本发明来说，还可以具有多种变换及改性的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实例，上述实例仅仅作为本发明的说明，而不是限制，总之，本发明的保护范围包括哪些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。
Claims (1)
1.一种机车高压电网电能质量在线监测装置，由感应器和监测器组成；感应器包括感应器电源电路、高压感应电极、感应信号放大电路、感应器控制器电路；监测器包括监测器电源电路、监测器控制器电路、LCD显示电路、报警电路、MICRO SD卡电路；其特征在于
感应器还包括无线发射电路；监测器还包括无线接收电路；
安装在机车车顶的感应器通过高压感应电极采集机车高压电网电能信号形成无线数据包，通过无线发射电路发送给机车内部的监测器；监测器通过无线接收电路接收无线数据包，进行监测、显示、处理和存储，装置通过无线数字信号通讯传输电能质量监测数据，避免感应模拟信号传输过程中的衰减和失真；
所述感应信号放大电路由第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻、第一电容、第一运算放大器组成；第一运算放大器的电源正极脚VCC连接第一电源VD1，电源地脚GND连接第一电源公共地GND1，负极输入脚IN-通过第三电阻、第一电容连接高压感应电极，同时负极输入脚IN-通过第四电阻连接第一运算放大器的输出脚OUT，正极输入脚IN+通过第一电阻连接第一电源VD1，同时正极输入脚IN+通过第二电阻连接第一电源公共地GND1，输出脚OUT连接第一控制器的模数转换脚AD1；第一运算放大器组成由单电源供电的反向比例放大电路，第一电容是隔离直流的作用；
所述无线发射电路由无线发射芯片、第一天线、第二电容、第三电容、第四电容、第一电感、第二电感组成；无线发射芯片的电源正极脚连接第一电源VD1，电源地脚GND连接第一电源公共地GND1；无线发射芯片的模式选择脚MODE连接感应器控制器电路的第一控制器的输出脚OUT3，第一控制器使无线发射芯片工作在频移键控模式；无线发射芯片与第一控制器通过单总线通信；无线发射芯片的数据接收使能脚ENABLE连接第一控制器的输出脚OUT2，数据输入脚DIN连接第一控制器输出脚OUT1；无线发射芯片的无线功放输出脚PAOUT通过第二电容、第二电感连接第一天线；同时无线功放输出脚PAOUT通过第一电感连接第一电源VD1；第一天线通过第四电容连接第一电源公共地GND1；第二电容的2脚通过第三电容连接第一电源公共地GND1；第一电感、第二电感、第二电容、第三电容、第四电容组成第一天线的匹配网络；
所述无线接收电路由无线接收芯片、第五电容、第六电容、第二天线、第三电感组成；无线接收芯片的电源正极脚连接第二电源VD2，电源地脚GND连接第二电源公共地GND2；第二天线通过第三电感和第六电容连接无线接收芯片的无线输入脚RFIN；同时第二天线通过第五电容连接第二电源公共地GND2；第五电容、第六电容、第三电感组成第二天线的匹配网络；无线接收芯片和监测器控制器电路的第二控制器通过SPI通信，无线接收芯片的SPI时钟脚SCLK连接第二控制器的SPI时钟脚SCLK1；无线接收芯片的MOSI脚连接第二控制器的MOSI1脚；无线接收芯片的MISO脚连接第二控制器的MISO1脚；无线接收芯片的状态机复位脚RESETB连接第二控制器的输出脚OUT1。
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